2024 Veronique Van Speybroeck

Veronique VAN SPEYBROECK
Exacte Wetenschappen – Toegepaste Fysica

Gewoon Hoogleraar, Vakgroep Toegepaste Fysica,
Centrum voor Moleculaire Modellering
Universiteit Gent

 

Loopbaan – Onderzoek – Jury rapport

 

Haar loopbaan

Veronique Van Speybroeck werd geboren in 1974 in Gent als jongste dochter in een gezin van drie kinderen.  Na de studies wetenschappen-wiskunde in de middelbare school, startte ze de opleiding Burgerlijk Ingenieur aan de Universiteit Gent. Ze was zeer sterk geboeid door overwegend theoretische vakken en koos daarom voor de richting Toegepaste Natuurkunde.   Wanneer ze voor het eerst in aanraking komt met het vakgebied van de kwantummechanica, geraakt ze hier zeer sterk door gefascineerd.  Ze volgt het vak “Kwantumtheorie van de chemische binding” en is bijzonder  geïntrigeerd door het feit dat de abstracte theorie van de kwantummechanica in staat is om het gedrag van moleculen te beschrijven. In haar masterscriptie onderzoekt ze hoe de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) kan toegepast worden op moleculaire systemen.  Dit onderzoek voert ze uit aan het Instituut voor Nucleaire wetenschappen onder het promotorschap van Prof. Michel Waroquier, die tot dan toe werkzaam was in het  domein van de veeldeeltjestechnieken toegepast op nucleaire systemen.  De toepassingen van deze technieken op moleculaire systemen was onontgonnen terrein aan de UGent.

Onmiddellijk na het afstuderen als Burgerlijk Natuurkundig Ingenieur in 1997, besluit ze een onderzoeksstage te verrichten bij DSM Research in Geleen over de Car Parrinello Moleculaire Dynamica en de toepassing op industrieel relevante reacties.  Ze kon er samenwerken met Dr. Robert Meier en Dr. Franco Budo die voor het eerst een katalytische reactie hadden gesimuleerd met kwantummechanisch gebaseerde moleculaire dynamica technieken.  De onderzoeksstage in Nederland is bepalend geweest in het begin van haar wetenschappelijke carrière, gezien ze voor het eerst zag hoe het vakgebied van de moleculaire modellering zijn toepassing vond op industrieel belangrijke systemen.  In oktober 1997, start ze doctoraatsonderzoek aan de UGent onder het promotorschap van Prof. Michel Waroquier.  Ze krijgt volledige vrijheid om haar onderzoek uit te bouwen.  Gedreven door haar passie om moleculaire systemen met belangrijke technologische toepassingen te modelleren zoekt ze actief samenwerkingen met experimenteel chemisch georiënteerde groepen.  Ze slaagt er wonderwel in om samen te werken met onderzoekers die niet behoren tot haar eigen discipline en kan dankzij haar natuurkundig georiënteerde achtergrond het verschil maken in de wereld van de chemie en zijn toepassingen.

In 2001 behaalt ze het doctoraat en wordt postdoctoraal onderzoeker bij het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FWO).  Ze verruimt het toepassingsgebeid naar nanoporeuze materialen en zeolietkatalyse.  Ze kan verschillende zeer getalenteerde jonge onderzoekers inspireren om onderzoek uit te voeren in de nieuwe onderzoeksrichting van de moleculaire modellering.  Samen met Prof. Michel Waroquier richt ze het Centrum voor Moleculaire Modellering op, dat vandaag uitgegroeid is tot een interfacultair onderzoekscentrum met een 40-tal onderzoekers.  In 2007 wordt ze onderzoeksprofessor aan de UGent en sinds 2012 is ze hoogleraar aan de faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur en leidt ze het Centrum voor Moleculaire Modellering.

Gedurende haar loopbaan bouwt ze een impressionant netwerk uit met toonaangevende experimentele groepen in binnen- en buitenland.  Ze heeft systematisch de grenzen van simulatietechnieken verlegd om industrieel belangrijke materialen en katalysatoren zo realistisch mogelijk te beschrijven.  Mijlpalen in haar onderzoek werden behaald dankzij het verwerven van prestigieuze onderzoeksbeurzen.  In 2010 verwierf ze een ERC Starting Grant en in 2015 een ERC Consolidator grant. Ze heeft gewerkt op tal van industrieel belangrijke materialen en processen zoals de conversie van methanol naar olefines, de ontwikkeling van nanomaterialen voor slimme sensoren en opslag.

Haar werk werd meermaals bekroond met verschillende prijzen, zoals laureaat van de Koninklijke Vlaamse Academie voor Wetenschappen en Kunsten van Belgie (2011), de MCEC lectureship award van het Nederlands centrum voor multischaal katalytische energie conversies (2018) en  de Dr. Karl Wamsler Innovation Award uitgereikt door de Technische Universiteit München en Clariant Specialty Chemicals ter erkenning van uitmuntendheid op het gebied van katalyse (2023).

Sinds het uitbouwen van haar onafhankelijke onderzoeksloopbaan, heeft ze talrijke doctoraatsstudenten en postdoctorale onderzoekers begeleid, die op hun beurt succesvolle loopbanen hebben uitgebouwd in de academische en de industriële wereld.  Veronique gelooft sterk in samenwerkingen over de grenzen van verschillende wetenschapsdisciplines heen en is ervan overtuigd dat dergelijke open visie de sleutel is voor het bereiken van wetenschappelijke excellentie.

Veronique Van Speybroeck is sinds 2013 lid van de Koninklijke Vlaamse Academie voor Wetenschappen en Kunsten van België. Ze heeft een uitgebreide staat van dienst op vlak van wetenschappelijke dienstverlening voor het evalueren van onderzoek, als lid van diverse redactieraden en internationale netwerken.

Veronique Van Speybroeck is gehuwd en heeft twee zonen.

 

Haar onderzoek

Het onderzoek van Veronique Van Speybroeck situeert zich binnen het domein van de moleculaire modellering en de toepassing ervan op industrieel belangrijke systemen.  Binnen deze onderzoeksdiscipline start men van de kleinste atomaire schaal met de ambitie om macroscopische fenomenen te ontrafelen.  Door de kennis van wat er zich afspeelt op de nanoschaal, kan men nanomaterialen voor katalyse, scheiding en gasopslag ontwerpen met atomaire precisie.

Het vakgebied van Veronique Van Speybroeck speelt zich af op het grensvlak van de fysica, chemie, materiaalkunde en ingenieurswetenschappen.   Fenomenen op de nanoschaal – een nanometer is een miljoenste van een millimeter – dienen beschreven te worden met kwantummechanische basisprincipes. Deze zeer abstracte theorie veroorzaakte een ware revolutie aan het begin van de twintigste eeuw en zou een fundamentele doorbraak betekenen voor het begrip van materialen.  Echter, de toepassing ervan op moleculen en materialen liet lang op zich wachten door de enorme complexiteit van het probleem.   Paul Dirac verwoordde het in 1929 als volgt:

“The fundamental laws necessary for larger parts in physics
and the whole of chemistry are thus fully known,
and the difficulty lies only in the fact that the application of these laws
leads to equations that are too complex to be solved.”

Veronique startte haar onderzoek in het domein van de moleculaire modellering eind de jaren 90 van de vorige eeuw.  In 1998 werd de Nobelprijs voor de Chemie toegekend aan Walter Kohn en John Pople voor de ontwikkeling van de Dichtheidsfunctionaaltheorie en computationele methoden in de kwantumchemie.  Samen met de steeds sterker wordende computers, werd hiermee een nieuw tijdperk ingeluid, waarbij realistische moleculen en materialen met grote precisie konden worden gemodelleerd en gevisualiseerd.

Haar vroege onderzoekswerk situeert zich binnen het domein van de polymeerchemie en thermisch kraken, waarbij ze nieuwe modellen ontwikkelde om de entropie van flexibele moleculen te beschrijven. Ze zocht actief samenwerkingen met experimenteel chemisch georiënteerde groepen. Dit werk leidde tot nieuwe softwareprogramma’s die vandaag de dag geïntegreerd zijn in open-source pakketten en wereldwijd veelvuldig worden gebruikt door onderzoekers in de computationele chemie.

Na het behalen van haar doctoraat verruimde ze haar onderzoeksinteresse naar nanoporeuze materialen en heterogene katalyse.  Gedreven door haar interesse voor industrieel belangrijke processen, verdiepte ze zich in de chemie die ten grondslag ligt aan de conversie van methanol naar olefines over zeolieten.  Oververzadigde koolwaterstoffen zoals etheen en propeen vormen één van de belangrijkste bouwstenen voor vele materialen en producten in ons dagdagelijkse leven.  Traditioneel worden deze bouwstenen geproduceerd vanuit ruwe aardolie, maar sedert een paar decennia wordt er zeer actief onderzoek gedaan om te starten van nieuwe voedingsstromen die ook kunnen bekomen worden uit afval, biomassa of circulaire voedingsstromen. Omstreeks 2004, toen Veronique startte in dit gebied, was er zeer veel discussie over de manier waarop twee methanolmoleculen een nieuwe koolstof-koolstof binding konden vormen. De chemie verantwoordelijk voor het methanol-to-olefin proces behoorde tot een van de grootste raadsels van de heterogene katalyse.  Samen met verschillende getalenteerde onderzoekers van het Centrum voor Moleculaire Modellering, slaagde Veronique erin om de complexe chemie die optreedt binnen dit heterogeen gekatalyseerd proces te ontrafelen.  Tot op vandaag de dag wordt ze gezien als één van de pioniers voor het moleculair begrip van het methanol-to-olefin proces.  Ze heeft een onmiskenbare onmiskenbare stempel gedrukt op dit domein van de katalyse.

Wat haar werk uniek maakt, is dat ze steeds poogde om de katalysatoren en reacties die doorgaan in complexe omgevingen, zo realistisch mogelijk in kaart te brengen.  Door het onderzoek in dichte synergie met experimentalisten uit te voeren, kreeg ze een zeer goed begrip van de complexiteit van een industrieel katalytisch proces.  Ze besefte dat de functie van een katalysator zoals die zijn werk doet onder industriële omstandigheden erg beïnvloed wordt door de operationele condities zoals temperatuur, vochtigheidsgraad en druk.  Om al die complexe factoren in kaart te brengen, introduceerde ze geavanceerde moleculaire dynamica technieken binnen het domein van de nanoporeuze materialen voor katalyse, adsorptie en diffusie.  Cruciale nieuwe inzichten werden bekomen over het effect van water op het katalytisch proces, of invloed van bepaalde modificaties aan de katalysator.

Recent investeert ze sterk in nieuwe methoden om materialen met defecten op verschillende lengteschalen te modelleren.  Ondanks de grote revolutie die Dichtheidsfunctionaaltheorie bracht binnen de wereld van de computationele chemie, botst deze methode vandaag de dag op haar limieten.  Zelfs met de krachtigste computers kunnen we met deze kwantummechanische methoden slechts een 1000-tal atomen modelleren, wat overeenkomt met een paar nanometer.  Deze dimensies zijn fundamenteel te klein om realistische katalysatordeeltjes te beschrijven.  Voorts evolueert een materiaal sterk in de loop van de tijd na het doorlopen van verschillende katalytische cycli.  Drastisch nieuwe technieken zijn nodig om de lengte-tijdschaalkloof tussen theorie en experiment te overbruggen.  Inspiratie kan gevonden worden binnen het domein van de artificiële intelligentie en Machine Learning-modellen die nu volop hun opgang maken in verschillende vakgebieden.  In haar recent werk ontwikkelt Veronique machine learning potentialen die de interacties tussen de deeltjes in het systeem veel sneller kunnen berekenen.  De kwantummechanische kennis van het systeem blijft essentieel aangezien de neurale netwerken gevoed worden door zeer accurate berekeningen op kwantummechanisch niveau.

Veronique is ervan overtuigd dat dergelijke technieken verder zullen leiden tot een paradigmashift voor het modelleren van nanomaterialen in industriële toepassingen.  De eerste proof-of-concept resultaten werden recent gepubliceerd in de meest toonaangevende tijdschriften. Met haar recent onderzoek toont ze nogmaals aan dat grensverleggende wetenschappelijke resultaten kunnen bekomen worden op het grensvlak van verschillende vakgebieden, namelijk de natuurkunde, chemie en artificiële intelligentie.

Het toepassingsdomein waarin ze gewerkt heeft is bijzonder breed.  Ze heeft niet alleen binnen het domein van de katalyse gewerkt maar  haar methoden ook toegepast om materialen voor scheidingen, gasopslag en sensoren te ontwikkelen.

 

Rapport van de jury (23 april 2024)

Prof. Veronique Van Speybroeck from the Center for Molecular Modeling of the University of Ghent is the recipient of the 2024 Francqui prize in Exact Sciences for her pioneering work on computational modeling of catalytic processes in nanoporous materials.

Prof. Van Speybroeck has established herself as a worldwide leader in modeling nanoporous materials for catalysis under realistic operating conditions. Catalysis is the basis for most chemical transformations in industry and is key to solving the challenges of developing a sustainable green chemical and energy industry. Nanoporous materials are characterized by allowing molecules to enter into the material through nanometer size holes. They are common catalysts, and providing an understanding of the chemical processes that take place inside these materials through quantum chemical simulations is key to designing new, more efficient catalysts.

Prof. Van Speybroeck started in the field of Molecular Modeling in the late nineties. She has systematically pushed the limits of simulation techniques to model as closely as possible realistic materials and processes at operating conditions. Her new methods were developed to calculate accurate chemical kinetics for reactions taking place in nanoporous materials by including the dynamics of the catalyst and the molecular fragments in the simulations. She pioneered the simulation of complex catalytic conversions at operating conditions, using enhanced sampling molecular dynamics simulations capturing the full complexity of the free energy surface.  She became strongly convinced that simulations had to account for true operating conditions such as realistic temperatures, pressures, feeds. Currently, she is exploring methods to simulate materials with the inclusion of spatial heterogeneities, as the behavior of realistic materials may be strongly affected by crystal size, morphology and the presence of defects. To this end she is currently developing Machine Learning Potentials that are able to capture the quantum behavior of materials at a much lower computational cost. An important aspect of her work is a close coupling between theory and experiment.

Apart from her own research, Prof. Van Speybroeck has inspired many young researchers to work in the field of molecular modeling and has been an outstanding ambassador for science in society. She co-founded the Center for Molecular Modeling, which has now grown to a multidisciplinary research Center including about 40 scientists with molecular modeling interests. The research is performed with a multidisciplinary group of scientists, having backgrounds in physics, chemistry, (bio-)engineering and materials science. Prof. Van Speybroeck believes in collaborations among researchers across disciplines and strongly stimulates such an open vision as key to achieving scientific excellence.

 

Leden van de internationale jury 

 

Professor Ben L. Feringa
Jacobus van ’t Hoff Distinguished Professor of Molecular Sciences,
Stratingh Institute for Chemistry
Head of Unit Synthetic Organic Chemistry, University of Groningen
Fellow of the Royal Society
International Member of the (US) National Academy of Sciences
Nobel Prize Chemistry 2016
Groningen, The Netherlands

 – Voorzitter van de jury

en

Professor Roger Blandford
Luke Blossom Professor in the School of Humanities and Sciences, Stanford University
Fellow of the Royal Society Member of the US National Academy of Sciences
Stanford, USA

Professor Geert-Jan Boons
UGA Foundation Distinguished Professor in Biochemical Sciences, The University of Georgia
Georgia, USA
Professor, Chemical Biology and Drug Development, Utrecht University
Utrecht, The Netherlands

Professor Paul Bourgade
Professor of Mathematics, NYU Courant Institute of Mathematical Sciences
New York, USA

Professor Marileen Dogterom
Professor of Bionanoscience, Kavli Institute of Nanoscience Delft, Delft University of Technology
Delft, The Netherlands
President of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences
Amsterdam, The Netherlands

Professor Heino Falcke
Professor of Astrophysics, Radboud Universiteit
Nijmegen, The Netherlands

Professor Thomas Henning
Director and Scientific Member, Max Planck Institute for Astronomy
Heidelberg, Germany

Professor Koen Kuijken
Professor of Galactic Astronomy, Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands

Professor Enno Mammen
Professor of Mathematical Statistics, Institute for Mathematics, Heidelberg University
Heidelberg, Germany

Professor Onur Mutlu
Professor of Computer Science, ETH Zurich
Zürich, Switzerland
Visiting Professor of Electrical Engineering, Stanford University
Stanford, USA
Adjunct Professor of Electrical and Computer Engineering, Carnegie
Mellon University
Pittsburgh, USA
Adjunct Professor of Computer Engineering, Bilkent University
Ankara, Turkey

Professor Jens Nørskov
Villum Kann Rasmussen Professor, Technical University of Denmark
International Member of the (US) National Academy of Engineering
Lyngby, Denmark

Professor Elisabeth Oswald
Professor and Head of Division of Cybersecurity, University of Klagenfurt
Klagenfurt, Austria
Professor of Applied Cryptography, School of Computer Science, University of Birmingham
Birmingham, UK

Professor John Peacock
Professor of Cosmology, Institute for Astronomy, Royal Observatory Edinburgh, University of Edinburgh
Fellow of the Royal Society
Edinburgh, UK

Professor Marten Scheffer
Distinguished Professor, Wageningen University
Co-founder of the South American Institute for Resilience and Sustainability Studies
International Member of the (US) National Academy of Sciences
Wageningen, The Netherlands

Professor Peter Zoller
Professor Emeritus of Theoretical Physics, University of Innsbruck
Scientific Director Emeritus, Institute for Quantum Optics and
Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences
International Member of the (US) National Academy of Sciences
Innsbruck, Austria

 – Leden van de jury